軌道交通線網運營指揮中心智能調度系統設計

王清永,曾小旭,趙疆昀,劉 穎,高 凡

（1. 天津軌道交通運營集團有限公司,天津 021501；2. 天津軌道交通線網管理有限公司,天津 021501；3. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所,北京 100081）

隨著我國“軌道交通+新型城鎮化”發展戰略的推進,各大中城市大力興建以地鐵、輕軌為代表的城市軌道交通網絡,越來越多的城市軌道交通已由單線相對獨立運營管理發展成為多線綜合運營管理,全國各主要城市的城市軌道交通陸續進入線網運營時代。城市軌道交通線網包括地鐵、市域快軌、輕軌、單軌、磁懸浮、自動導向軌等多種運輸制式。城市軌道交通網絡在形成城市內快速通道的同時,還需保持與對外交通系統的快速集疏運能力與效率。城市軌道交通網絡與市域（郊）鐵路網銜接,解決城市中心區域與周邊城鎮組團及城鎮組團間的快速通勤,對緩解城市交通擁堵、改善城市人居環境、優化城鎮空間布局具有重要作用。城市軌道交通與城際鐵路銜接,解決城市群地區城際快速聯絡,促進整個區域同城化、一體化發展目標的實現。城市軌道交通與干線鐵路網（包括客運專線和普速鐵路）銜接,解決城市對外交通問題,全方位提升城市群地區對外輻射能力。

現階段我國軌道交通呈現出線網結構日益復雜、客流增幅顯著、運營組織多樣化、安全風險因素眾多等特點。面對各大城市軌道交通快速呈現出的網絡化格局,線網運營綜合監管能力、服務水平、效益的提升及運營安全保障面臨著更大的挑戰,對軌道交通線網運營指揮中心提出更高的信息化管理要求。目前,現有的城市軌道交通線網運營指揮中心系統偏重于線路監控管理和自動控制,對綜合協調運營決策及評估分析的支持較弱,且尚未實現城市軌道交通網與市域（郊）鐵路網、城際鐵路網、干線鐵路網的融合。如何在軌道交通網絡化運營時代,建立高效協同的軌道交通線網運營指揮中心系統,實現更大范圍的跨線路客流與運力信息共享、協調指揮、應急處理聯動及全線網運營整體優化,已經成為我國軌道交通發展亟待解決的問題。

本文聚焦軌道交通線網綜合運營調度管理,以云計算及大數據技術為支撐,以軌道交通網絡化運營調度與應急指揮業務流程為主線,建立基于混合式大數據架構、標準化接口的跨平臺軌道交通線網運營指揮中心智能調度系統（簡稱：智能調度系統）,涵蓋實時監控、調度指揮、應急聯動、運營評估與線網運營組織策略,通過運營前的預警預測,運營中的實時監控,運營后效果綜合評估反饋,全面提高對線網運營指揮中心的決策分析能力,保障軌道交通線網的運營安全和高質量服務。

1 軌道交通線網運營指揮中心及其信息化系統設計目標

1.1 軌道交通線網運營指揮中心職責定位與業務功能

軌道交通線網運營指揮中心作為軌道交通線網運營最高指揮機構,其主要職責是協調各軌道交通控制中心及相關運營主體,負責軌道交通線網運營監察、應急管理、統籌協調、信息管理、數據管理、資源調配的工作,貫徹“高度集中、統一指揮、逐級負責、分級響應、信息共享、協調動作”的原則[1]。

在軌道交通云平臺的支撐下,軌道交通線網運營指揮中心作為線網綜合運營的統一窗口,由4 個職能中心組成,涵蓋5 類核心業務,即“1 個窗口、4 個中心、5 類功能”,其職能與核心業務構成如圖1所示。

圖1 軌道交通線網運營指揮中心職能與核心業務構成示意

1 個窗口是指線網運營指揮中心作為支撐智慧運營、服務乘客的核心,展現軌道交通高質量發展的窗口；4 個職能中心包括：負責路網統一監視與指揮的路網調度中心,負責路網應急聯動處置的應急指揮中心,提升運能效率和運營安全的智能運營中心,提供信息權威發布、輿情監控、危機公關功能的信息發布中心；5 類核心業務包括：線網運營管理類、線網應急指揮類、線網乘客服務類、線網輔助決策類及線網信息服務類[2]。

線網運營指揮中心通常設置有線網中心調度長、線網中心值班主任、線網行車調度、線網電力調度、線網設備調度、線網信息調度、線網客流調度、線網維修調度、線網視頻調度等崗位。在多運營主體體制框架下,各軌道交通公司可根據線網規模、運營管理模式等實際情況,按照“線網優先、個性提升”原則,相對獨立地開展自身線網運營生產,從企業數字化轉型、復合型人才培養、綜合性崗位整合、綠色循環發展等目標出發,研究管控體系的業務合并、人員崗位合并及綜合調度控制集中化管理[3],圍繞行車組織、客服服務、安全管理、應急處置、清分清算等核心業務,按需選擇設置相關崗位。

1.2 軌道交通線網運營指揮中心系統設計目標

軌道交通線網運營指揮中心系統是實現線網信息共享和綜合運營管理、支持線網協同調度指揮的信息化技術平臺,按照統一規劃、統一建設、資源共享、集中節約的建設原則,線網調度指揮中心級系統可與線路控制中心級系統實現信息共享、設施共建、設備共用。如圖2 所示。

圖2 軌道交通線網運營指揮中心崗位設置示意

軌道交通線網運營指揮中心系統的設計目標主要包括以下4 個方面。

（1）面向四網融合：面向城市軌道交通網、市域（郊）鐵路網、城際鐵路網、干線鐵路網融合發展格局,軌道交通網線運營指揮中心系統能夠有效支持多制式軌道交通信息互通、協同調度指揮。

（2）面向多運營主體：軌道交通線網運營指揮中心系統面向多運營主體場景統籌開展指揮協調,解決多運營主體容易形成的“各自為政”、信息共享困難、線間運力協調以及突發客流、突發事件等難以聯勤管理問題。

（3）面向多模式運營組織：線網運營指揮中心系統處于多條線路多種場景統籌協調的角色,在面臨區間運營、大站運營、跨線運營、編組運營、混合運營等多種運營組織模式情況時,在信息共享、實時監控、數據分析、綜合運營、聯動處置等方面發揮重要作用。

（4）面向多場景列車運行模式：線網運營指揮中心系統在統籌協調各線路運營時,應能支持各種列車運行場景下的安全運營狀態監視、高效聯動控制、快速應急處置。

2 軌道交通線網運營指揮中心智能調度系統設計

2.1 系統構成

軌道交通線網運營指揮中心智能調度系統是一套綜合的硬件設備和一套綜合應用軟件的組合。軌道交通線網運營指揮中心設備構成如圖3 所示；主要由線網運營指揮中心大廳、應急指揮室、云平臺服務區構成,基礎支撐子系統主要包括：云平臺服務子系統、安全管理子系統、大屏控制子系統、LED 屏控制子系統、調度工作站終端子系統、調度電話子系統、運營移動端子系統、視頻會商子系統、UPS 電源等[4]。基礎硬件設施包括云平臺、調度終端、視頻會商設備、大屏配套設備、LED 屏配套設備、電源設備、安全設備、調度臺、通信設備等。軟件應用功能主要涵蓋線網運營指揮、線網應急指揮、線網乘客服務、線網運營輔助決策4 個方面[5]。

圖3 軌道交通線網運營指揮中心設備構成示意

2.2 系統架構

圍繞軌道交通線網級運營管理業務,基于云平臺、數據采集平臺、大數據共享平臺,構建線網級運營指揮中心智能調度系統,實現覆蓋線網、線路、車站的綜合運營管理,與軌道交通內部管理信息化系統及外部服務信息化系統互聯,涵蓋運營調度指揮、應急指揮、乘客服務、運營輔助分析等核心業務,系統架構如圖4 所示。

圖4 基于云平臺的軌道交通線網運營指揮中心智能調度系統架構示意

2.3 應用功能

線網運營指揮中心智能調度系統應用功能主要包括線網運營指揮、線網應急指揮、線網乘客服務、線網運營輔助決策,應用功能層次結構如圖5 所示。

2.3.1 線網運營指揮

提供線網行車調度、線網車輛調度、線網客流調度、線網視頻監控等線網級調度監視及線網運營信息交互功能,實現便捷、高效的跨線路客流與運力信息共享,支持面向四網融合的運營調度協調指揮,促進全線網運營管理整體優化[6-7]。

（1）線網行車調度：使用矢量圖形呈現線路走勢及相關重點位置,形成線網/單線圖,同時疊加線網當前各線路運營車輛的實時行車位置,配合車站信息查詢、列車信息查詢、行車計劃查詢、行車指標統計、行車復示、自定義指揮圖形繪制功能,為調度人員提線網日常運營監督、跨線路運營協調應用；應急情況時,實現跨線路管理的換乘站、場段的應急聯動協調,下達涉及跨線路情況下的行車組織、搶修組織協調指令；當行車遇到故障后,與施工系統進行聯動。

（2）線網列車調度：監督各線路列車調度工作,監視整個線網內所有運營列車的動態,監視畫面可顯示列車車型、上線、備用、投運、檢修等狀態；監測線網內正線運行列車關鍵系統的實時狀態,包括牽引系統、制動系統、空調系統、門控系統、車載通信系統、等的狀態；監視各線路在線列車發生的重要故障、火災報警等異常事件,跟蹤故障/火災處理過程。

（3）線網客流調度：對車站和區間客流信息進行實時監測與分析,對不同車站及區間的客流狀態按照擁擠度閾值劃分等級,以不同顏色呈現線網擁擠度狀況圖及車站客流熱力圖等,并對關注的區間擁擠或車站客流過高等情況進行告警；應急情況下具備跨線路管理換乘站的聯動協調功能,可下達線網客運組織協調命令。

（4）線網視頻監控：基于電子地圖構建軌道交通線網視頻地圖,方便調度人員調用線網內各車站、場段、列車的音視頻資源,并提供圖像查詢、云鏡控制及錄像調用功能；提供視頻圖像輪詢,支持組內輪巡、分組輪巡、組合輪巡、分時輪巡等功能；提供視頻圖像的智能分析應用功能,支持客流密度分析、行為特征分析、人臉識別、周界告警等。

（5）線網運營信息交互：按照跨線路運營管理協調機制的要求,創建運營信息交互群組,提供常用聯系人管理、聯系人快速查找等功能,方便不同運營主體調度人員進行溝通聯絡；提供線網運營管理信息共享與發布功能,可通過語音指令、移動App、短信、電子郵件、官網、微信、微博、公眾號、傳真等方式及時傳遞和交流線網運營管理信息,提供提示音、信息置頂提示、信息確認回執等功能；提供調度指令及信息交互記錄管理功能,支持按照日期、時間、發送人、信息內容等關鍵字進行模糊查詢；與各線路調度人員進行數據交互,實現客流、車流等統計分析結果的展示及應用,根據異常事件的類型向調度員推送實現自動聯動的監視信息。

2.3.2 線網應急指揮

按照軌道交通線網綜合應急管理要求,為線網調度（應急）指揮中心、各線路調度（應急）指揮中心（OCC）及事故現場臨時指揮部提供應急值守、預案管理、應急處置、應急聯動等應用功能,方便各線路應急指揮人員高效協同指揮,實現軌道交通線網一體化應急指揮。

（1）應急值守：提供事件接報、緊急通知、應急聯動、協調工作、OCC 值守功能、主管領導值守功能、預留上級主管部門值守等核心功能,具有持續的數據交互、動態更新、流轉控制能力。

（2）應急預案管理：提供預案模板管理、預案編制、應急預案評審、數字化預案、預案演練評估等核心功能。根據預案的適用對象、使用范圍、類型、級別等信息建立預案分類層次及預案模板,每類模板定義與該突發事件類型相關的處置步驟。

（3）應急處置：根據突發事件的分級分類體系,實現線網調度應急指揮中心的突發事件的統一處置。主要包括應急接警、續警跟蹤、預案調用、指令下達、處置過程信息收發、應急資源協調調配、搶險作業實時情況監督、外部通信及協調、公告發布、處置過程記錄、突發處置評估與資料管理、突發事件及處置報告等核心功能。

（4）應急聯動：進入應急處置狀態后,自動獲得相匹配的預案,為指揮人員提供事件等級判定,聯動線網運營指揮對應的調度功能,集成語音、短信、郵件、系統內部消息等多種通信協調手段實現與各OCC、線網各職能部門人員、上級主管部門及外部單位的應急處置聯動；應用GIS 實現應急資源定位、調配和聯動協調組織；利用現場視頻、視頻會商,以及調用專家資源庫、應急法規與常識等多種信息綜合,輔助協調應急事件的處理。

2.3.3 線網乘客服務

建立線網指揮中心-車站2 級的乘客服務體系[8-9],實現全線網客流信息共享及乘客服務協同聯動,提升線路間客流管理及全線網乘客服務整體水平。

（1）線網乘客信息編播：面向乘客的媒體信息統一編輯、播表版式的統一制作及下發,運營消息的統一下發及撤銷；當線網出現突發事件應急處置情況下接收線網應急指揮消息,向乘客統一發布PIS應急信息。

（2）熱線中心：負責接聽熱線電話,受理咨詢、表揚、投訴、建議等乘客來電事務,并對乘客來電內容進行記錄、分析、傳遞、反饋；定期對熱線錄音及記錄進行整理和存檔；自動生成熱線統計、分析數據和周報,幫助運營人員分析總結乘客關注熱點問題,持續改進運營管理；定期聯絡回訪來電乘客,做好乘客溝通。

（3）線網運營信息服務：基于客流分析情況,通過PIS、PA、電子導向標識等多種發布渠道,面向不同乘客群體及時發布個性化定制信息,包含出行建議、安全預警、運營信息、車站擁擠度、車廂擁擠度、線路擁擠度、天氣預報等。

（4）多渠道乘客服務：通過車站智能終端設備、乘客服務App、小程序、微信公眾號、官網、微博等載體,為乘客提供方便、快捷、豐富的線上/線下多渠道服務,包括車站/線路詳情、票務信息、列車時刻表、線網客流動態、失物招領、智能問答、愛心乘車、服務調查等。

2.3.4 線網運營輔助決策

提供線網指揮中心和車站2 級運營輔助決策應用功能,實現全線網客流數據、行車數據的共享,提供一體化、網絡化運營全網統籌決策功能[10],提升全線網運力運量決策及運輸計劃優化的能力。

（1）線網客流預測：在歷史客流數據挖掘的基礎上,應用客流預測模型與算法,對短時、短期、預知大客流、新線開通等不同場景進行客流預測；通過多場景客流預測預警、乘客出行特征分析、站內客流風險評估、客流應急事件快速獲取等功能,為車站級與線網級客流組織與調控提供決策依據,同時也為行車調度、應急數字化預案、突發事件應急處置、新線開通方案的制定等運營管理提供準確可靠的參考依據。

（2）線網運輸計劃協同優化：基于歷史或預測客流數據、歷史行車數據和運營組織條件,提供基于客流預測的列車運行圖動態、實時優化,通過列車調整、運行圖調整、交路調整的方式對線網運輸計劃進行調整,根據運營評估指標,優化線網換乘銜接、首末班車銜接,方便乘客出行。

（3）線網運營仿真：包括車站仿真、線路仿真和線網仿真基本模塊,車站仿真揭示站內人流與設備布局之間的關系,線路仿真體現人流與車流之間的動態演化過程,線網仿真體現客流在整個線網范圍內的動態演化過程；使用仿真軟件創建仿真對象,建立與真實對象等價的仿真對象模型,按照調度人員設定的仿真對象輸入參數和場景模式組合,對仿真模型進行反復多次的試驗和計算,根據評估仿真中的設定,輸出仿真數據報表、圖表,為調度人員運力運量決策及制定運輸計劃提供準確可靠和決策依據。

（4）線網運營評估：利用行車、客流、設備等各類運營歷史數據及運營仿真模擬生成的預測數據,自動計算運營統計指標,包括列車運行銜接指標、運行圖技術指標、運量運力匹配性指標等,提供評估線網運營狀況的可靠依據,以指導對相關運營計劃進行優化調整；列車運行銜接指標評估提供對線網換乘銜接、首末班車銜接及換乘時間合理度分析及評估；運行圖技術指標提供對運行圖技術指標顯示和評估功能,指標數據來源于編圖子系統的指標輸出；運力運量匹配性指標提供對運力運量匹配性指標計算和評估。

3 關鍵技術

3.1 運力運量匹配性評估

對車站、區間、線路運力運量匹配性進行全面評估,準確衡量線網當前運輸能力狀況,為線網運力資源優化和運輸計劃優化提供可靠依據。

將運力運量匹配性指標定義為一級指標,并劃分為車站運能匹配性、區間運能匹配性、線路運能匹配性3 類二級指標。對二級指標進行分類評估,通過計算車站運能及客流比值、區間滿載率、線路平均滿載率形成一級評估指標,進一步計算車站、區間、線路匹配度,生成二級評估指標。對于評估指標設定評估指標閾值,分析得到線網運力運量一、二級指標評估結果,對于超出指標閾值的情況,可根據評估結果調整線網運輸計劃,優化運力資源。運力運量匹配性評估方法框架如圖6 所示。

圖6 運力運量匹配性評估方法框架示意

3.1.1 車站運能匹配性評估

車站運能匹配性采用車站運力與車站客流量比值來進行評估,即車站運能匹配度m(ai) 定義為

其中,是車站ai在t時間段內的進站量；ci(t)是車站ai的運力。m(ai) 的評估范圍如表1 所示。

表1 車站運能匹配評估范圍

設車站的合理匹配度范圍為：0 ＜m(ai)≤1,最佳匹配度為m(ai)=0.8。

3.1.2 區間運能匹配性評估

（1） 區間實際滿載率

區間實際滿載率lj(t) 定義為

其中,為區間j在t時間段內的斷面客流；cj(t)為區間j的運力。

lj(t) 的評估范圍如表2 所示。

表2 區間實際滿載率lj(t)評估范圍

（2）區間運能匹配度

區間運能匹配性采用區間實際滿載率與最佳滿載率差的比值來進行評估,即區間運能匹配度m(bi)定義為

其中,為區間在t時間段內的最佳滿載率；m(bi)的評估范圍如表3 所示。

表3 區間運能匹配度m(bi)評估范圍

區間運能匹配度范圍為：0 ≤m(bi)≤1,匹配度最優區間為0.8 ≤m(bi)≤1.0。

3.1.3 線路運能匹配性評估

（1）線路平均滿載率

線路平均滿載率lm(t) 是各區間滿載率的均值,計算方法為

其中,n為線路m的區間數；線路平均滿載率lm(t)的評估范圍如表4 所示。

表4 線路平均滿載率lm(t)評估范圍

（2）線路運能匹配度

線路運能匹配性使用線路平均滿載率來進行評估,即線路運能匹配度m(ci) 定義為

其中,為線路最佳滿載率；m(ci) 的評估范圍如表5 所示。

表5 線路運能匹配度m(ci)評估范圍

區間運能匹配度范圍為：0 ≤m(ci)≤1,匹配度最優范圍為0.8 ≤m(ci)≤1.0。

3.2 線網換乘列車運行銜接評估

通過影響列車運行銜接的單一指標及整體指標對銜接能力進行全面評估,準確衡量線網的綜合運輸能力,為線網列車運輸計劃協同優化提供可靠依據,以實現最大化的乘客換乘便利性,提高軌道交通網綜合效能。

將線網換乘列車運行銜接能力指標定義為一級指標,并劃分為單一列車銜接能力及線網整體運行銜接能力2 類二級指標。對二級指標進行分類評估,通過計算換乘列車數、換乘等待時間、可達性形成一級評估指標,在一級評估指標基礎上得出平均換乘等待時間及OD 可達對數,形成二級評估指標。對于評估指標設定評估指標閾值,分析得到線網運力運量一、二級指標評估結果,可根據評估結果調整換乘銜接或首末班車銜接方案。線網換乘列車運行銜接評估方法框架如圖7 所示。

3.2.1 平均換乘等待時間

平均換乘等待時間通過列車到、發站時間及乘客換乘時間差值計算得到,乘客換乘走行時間固定,則平均換乘等待時間：

其中,為換出線路l′上第i列車的到站時間；為換入線路l上第j列車的出發時間；為乘客的換乘走行時間。

3.2.2 可達性

可達性表示乘客能否通過直達或換乘實現從起始地O到目的地D的出行規劃,換乘列車是否能夠有效地銜接直接影響乘客出行規劃的可達性。用于評價O-D対可實現性的可達性Nod定義為

其中,為某一od對是否可達,0 為不可達,為1 時可達；Nz為全線網OD 對全部可達數,Nod趨近于Nz時可達性較優。

4 結束語

為促進城市軌道交通網與市域（郊）鐵路網、城際鐵路網、干線鐵路網的融合發展,以運營信息物聯網監測、數據共享融合、云平臺及大數據技術為支撐,以軌道交通網絡化運營指揮業務流程為主線,構建軌道交通線網運營指揮中心智能調度系統,初步完成線網運營指揮、線網應急指揮、線網乘客服務、線網輔助決策等主要應用功能的設計；通過實現軌道交通線網級運營調度指揮與應急管理的信息共享和業務聯動,支持軌道交通線網日常運營調度指揮與應急響應的高效協同,提升軌道交通線網協調運營決策及評估分析能力,為全國城市軌道交通行業邁入“四網融合”軌道交通網絡化運營管理時代提供實用解決方案,有助于引導軌道交通行業線網指揮中心系統的規范化建設,促進軌道交通線網運營管理的智能化發展[11],提升以城市軌道交通為主體的軌道交通網絡的整體運營效能,使軌道交通行業更好地服務廣大民眾,加快推動我國社會經濟發展。

本文提出的線網運營評估方法尚有許多細節亟需進行研究,下一步將深化研究綜合評估體系,可采用層次分析法、平衡計分法和模糊綜合評價法的組合方法對評估模型進行求解,得出綜合評估結果,提高對運輸計劃評估的準確性,進一步提升城軌線網管理的智能和智慧化應用能力。